某導(dǎo)彈慣性敏感裝置跌落仿真分析

安彥飛，王雨時(shí)，聞泉

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

敏感彈道加速度的裝置稱為慣性敏感裝置[1]。當(dāng)它作為慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)時(shí)，能感應(yīng)不同的彈道加速度大小和持續(xù)時(shí)間，從而執(zhí)行不同的動(dòng)作(保險(xiǎn)或解除保險(xiǎn))。

關(guān)于彈藥類產(chǎn)品跌落響應(yīng)特性理論研究、仿真研究和試驗(yàn)研究的文獻(xiàn)較多。文獻(xiàn)[2]建立了某引信冗余保險(xiǎn)系統(tǒng)的跌落沖擊動(dòng)力學(xué)模型，仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證了其在不同落高下跌向不同目標(biāo)時(shí)的沖擊響應(yīng)特性；文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種引信跌落試驗(yàn)測試裝置，并根據(jù)彈丸的跌落沖擊加速度測試曲線對(duì)從不同高度跌落至不同目標(biāo)時(shí)彈丸上的引信慣性部件運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了仿真分析；文獻(xiàn)[4]和[5]通過建模仿真，分析、對(duì)比了某慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在發(fā)射過載和跌落沖擊過載兩種環(huán)境下的動(dòng)作情況。

本文以一種典型的導(dǎo)彈慣性敏感裝置為例，建立了不同跌落目標(biāo)下沖擊響應(yīng)動(dòng)態(tài)仿真模型，仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)該類裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)及勤務(wù)處理性能評(píng)估有一定參考。

1 某導(dǎo)彈慣性敏感裝置結(jié)構(gòu)原理

應(yīng)用于低發(fā)射過載彈藥的慣性敏感裝置基本結(jié)構(gòu)都是彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)[1]。某導(dǎo)彈慣性敏感裝置由慣性體、座體、導(dǎo)桿及慣性簧等組成，可簡化為一個(gè)單自由度彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)，其物理模型如圖1所示。

圖1 某導(dǎo)彈慣性敏感裝置物理模型

當(dāng)后坐過載達(dá)到臨界值2 g時(shí)，慣性體沿著貫穿于其中的導(dǎo)桿、壓縮慣性簧向下運(yùn)動(dòng)至與座體平面接觸，釋放過載時(shí)間識(shí)別機(jī)構(gòu)——鐘表機(jī)構(gòu)。當(dāng)慣性體與座體接觸時(shí)間達(dá)到4 s時(shí)，鐘表機(jī)構(gòu)恰好能保證與之相嚙合的隔爆機(jī)構(gòu)解除保險(xiǎn)。如果慣性體與座體接觸時(shí)間<4 s，那么隔爆機(jī)構(gòu)不足以運(yùn)動(dòng)至解除保險(xiǎn)位置，就會(huì)被慣性簧通過慣性體推動(dòng)恢復(fù)至初始裝配位置，此時(shí)整個(gè)裝置仍處于安全狀態(tài)。

2 跌落仿真模型建立

用Solidworks軟件建立慣性敏感裝置和跌落目標(biāo)的三維模型，并保存為Parasolid.X_T格式，然后利用ADAMS/View提供的模型數(shù)據(jù)交換接口，將模型文件導(dǎo)入到ADAMS軟件中，設(shè)置模型材料特性，并添加相應(yīng)約束。

由于慣性敏感裝置中的慣性簧可直接在ADAMS軟件中添加生成，所以在用Solidworks三維建模時(shí)，并未畫出慣性簧。慣性簧參數(shù)由慣性體質(zhì)量、行程、結(jié)構(gòu)特性以及保險(xiǎn)和解除保險(xiǎn)性能要求等因素匹配設(shè)計(jì)。在ADAMS/View中，使用拉壓彈簧-阻尼器模型：

(1)

式中:F——彈簧壓力(N)；

C——粘性阻尼系數(shù)(N·s/mm)；

K*——彈簧剛度系數(shù)(N/mm)；

r——彈簧自由高度(mm)；

L——彈簧裝配高度(mm)；

P——彈簧預(yù)壓力(N)。

按照初始設(shè)計(jì)確定彈簧剛度系數(shù)K*=3.16×10-2N/mm，彈簧預(yù)壓力P=1.36 N。其他按默認(rèn)值。彈簧兩端構(gòu)件分別為慣性體和座體。

假設(shè)慣性敏感裝置在重力作用下自由跌落、空氣阻力不計(jì)。由于勤務(wù)處理過程中各種跌落姿態(tài)都可能出現(xiàn)，其中垂直跌落時(shí)跌落目標(biāo)對(duì)慣性敏感裝置反作用力沿其軸線向上，此時(shí)慣性體受到的慣性力最大(與座體接觸可能性最大)，所以只仿真這一姿態(tài)。

慣性敏感裝置與跌落目標(biāo)介質(zhì)接觸模型選用沖擊函數(shù)模型：

(2)

式中:K——材料接觸剛度；

δ——穿透深度；

e——穿透深度指數(shù)；

STEP()——階躍函數(shù)；

dmax——最大允許切入深度；

Cmax——對(duì)應(yīng)最大切入深度的最大阻尼值；

根據(jù)Hertz接觸理論，剛度系數(shù)K[6]取決于撞擊物體材料和結(jié)構(gòu)形狀：

(3)

設(shè)置重力方向沿跌落目標(biāo)法線方向向下，跌落高度1.5 m[7]，求解時(shí)間1 s，仿真步數(shù)500。慣性敏感裝置跌落仿真模型如圖2所示。

圖2 慣性敏感裝置跌落仿真模型

3 仿真結(jié)果及其分析

當(dāng)?shù)淠繕?biāo)為鋼板時(shí)，仿真得出的碰撞過程如圖3所示。

圖3 慣性敏感裝置跌落過程

由圖3可以看到，慣性敏感裝置在0.552 s時(shí)開始與鋼板接觸，0.556 s時(shí)跌落產(chǎn)生的慣性力迫使慣性體壓縮慣性簧至與座體接觸，0.590 s時(shí)慣性體在慣性簧抗力作用下恢復(fù)至初始狀態(tài)，0.594 s時(shí)慣性點(diǎn)火器反彈離開鋼板，之后在0.660 s時(shí)與鋼板二次碰撞，至0.722 s時(shí)靜止不動(dòng)。

通過Adams/Post Processor后處理器查看仿真結(jié)果，跌落過程中慣性體受到的慣性力隨時(shí)間的變化曲線和慣性簧抗力隨時(shí)間的變化曲線分別如圖4和圖5所示。

圖4 跌落至鋼板時(shí)慣性體受到的慣性力隨時(shí)間的變化

圖5 跌落至鋼板時(shí)慣性簧抗力隨時(shí)間的變化

由圖4可知慣性體在0.552 s時(shí)接觸鋼板產(chǎn)生慣性力，經(jīng)過0.004 s該慣性力迅速增大至峰值18.61 N，再經(jīng)過0.002 s又迅速降至0。之后出現(xiàn)了幾個(gè)小的慣性力峰值，且均在0以下，這是由慣性簧抗力推動(dòng)慣性體碰撞座體頂蓋所致。

從圖5可知慣性簧抗力在0.552 s之前的預(yù)壓抗力均為1.36 N，經(jīng)過0.004 s迅速增大至抗力峰值3.34 N，再經(jīng)過0.004 s又迅速降至1.73 N，之后緩緩降至初始預(yù)壓值，即裝配位置。

從圖4和圖5可以看出慣性敏感裝置跌落過程中慣性體與座體下端面僅有一次接觸，且接觸時(shí)間較短(0.036 s)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于解除保險(xiǎn)所需時(shí)間(4 s)，因此垂直跌落環(huán)境下慣性點(diǎn)火器中保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的保險(xiǎn)作用是可靠的。由于慣性敏感裝置跌落時(shí)所受慣性力以垂直方向?yàn)樽畲?，而根?jù)以上仿真分析，該慣性敏感裝置不會(huì)解除保險(xiǎn)，所以在其他各種跌落姿態(tài)下，慣性敏感裝置都不會(huì)解除保險(xiǎn)。

跌落目標(biāo)不同，慣性敏感裝置跌落沖擊響應(yīng)特性也不同。分別仿真跌落目標(biāo)為木板、混凝土、砂土等介質(zhì)時(shí)慣性敏感裝置解除保險(xiǎn)情況，慣性簧抗力隨時(shí)間變化如圖6所示。慣性體離其下方的座體平面越近，慣性簧產(chǎn)生的抗力越大，由此可知慣性體與座體接觸時(shí)間長短，從而判定裝置是否解除保險(xiǎn)。

圖6 慣性敏感裝置跌落到不同介質(zhì) 上時(shí)慣性簧抗力隨時(shí)間變化

由圖6知慣性敏感裝置跌落到不同目標(biāo)上時(shí)，慣性簧抗力極大值持續(xù)時(shí)間即慣性體與座體接觸時(shí)間均小于1 s，隔爆裝置來不及被鐘表機(jī)構(gòu)解除隔爆保險(xiǎn)就又被慣性簧推動(dòng)的慣性體推回至初始裝配狀態(tài)(位置)，因此慣性敏感裝置在勤務(wù)環(huán)境下的跌落安全性是有保證的。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

試制某導(dǎo)彈慣性敏感裝置并進(jìn)行跌落安全性測試，跌落目標(biāo)為鋼板(圖7)，跌落高度分別為1.5 m，1.8 m和2.1 m。跌落后裝置并未解除保險(xiǎn)，慣性體仍處于裝配位置(圖8)，驗(yàn)證了某導(dǎo)彈敏感裝置的跌落安全性，同時(shí)也證明了仿真的可信性。

圖7 跌落鋼板

圖8 跌落后產(chǎn)品狀態(tài)

5 結(jié)論

通過動(dòng)力學(xué)仿真分析得出某導(dǎo)彈慣性敏感裝置從1.5 m高跌落至鋼板、混凝土、木板和砂土等不同硬度目標(biāo)時(shí)，慣性體與其下方的座體平面僅有一次碰撞，且該碰撞時(shí)間遠(yuǎn)小于裝置解除保險(xiǎn)時(shí)間，隨后慣性體立即在慣性簧推動(dòng)下恢復(fù)至初始裝配狀態(tài)，因此可以保證慣性敏感裝置在勤務(wù)處理過程中意外跌落后的安全性和結(jié)構(gòu)正確性。

[1] GJB/Z 135-2002.引信工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[S].中華人民共和國國家軍用標(biāo)準(zhǔn).北京：總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，2003.

[2] 陸靜，程翔，鞠敏等.墜落沖擊環(huán)境下引信保險(xiǎn)系統(tǒng)的可靠性仿真[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2001，25(4)：369-372.

[3] 韓學(xué)平，芮筱亭，洪俊，等.引信慣性部件墜落動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)分析及數(shù)值仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)， 2008， 20(8)： 1990-1993.

[4] 王暉，陳荷娟.復(fù)合式慣性制動(dòng)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)及性能分析[J].探測與控制學(xué)報(bào)，2007，29(1)：32-35.

[5] 王立新，黃文良.后坐銷在高過載情況下的動(dòng)態(tài)仿真[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2004，24(4)：228-232.

[6] Harris T.A.Rolling bearing analysis [M].NewYork:Willey,1991.

[7] GJB573A-1998 引信環(huán)境與性能試驗(yàn)方法[S].北京: 總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，1998.